摘要：与正装L E D相比，倒装焊芯片技术在功率型LE D的散热方面具有潜在的优势。对各种正装和倒装焊功率型L E D芯片的表面温度分布进行了直接测试，对其散热性能进行了分析。
关键词：功率型LE D；倒装焊结构；散热性能；热阻
LED芯片作为LED光源的核心部件，其质量直接决定了LED照明产品的光效、寿命等，因此LED芯片技术的发展对于推动整个产业的前进至关重要。
1 LED芯片的结构
1)正装芯片。正装芯片是最早出现也是最常见的芯片，它的电极在上方，例如由上到下材料依次为P-GaN、发光层、N-GaN、衬底，光从P-GaN射出，多采
用蓝宝石衬底。中小功率的芯片使用这种结构的比较多，优点是工艺成熟，生产良率较高，缺点是电极在同一方向会有电流拥挤分布不均匀的问题，而且由于金属电极挤占了部分发光面积，所以对发光效率也有一定的影响。
2)倒装芯片。不同于正装结构，倒装结构的电极面和发光面是分开的。这种结构设计极大提升了芯片的发光面积，而且P面整面的金属欧姆接触，有利于电流的迅速扩散，电压得到大幅下降。相比于传统的封装工艺，倒装芯片封装采用共晶焊技术，无需打金线，避免了金线虚焊、断裂引起失效，提高了封装可靠性，而且封装体积能缩小近80%，在高密度、高清的显示屏领域也更具优势。
3)垂直芯片。垂直结构芯片在P-GaN表面蒸镀高反射率的金属，将P-GaN面bonding在高热导率的基板上(如Si)，然后通过剥离掉原有的衬底把N-GaN露出来，并在N-GaN表面制作电极图形。这项技术避免了P电极阻光问题，提高了芯片发光面积，且封装只需一根金线，提升了芯片的可靠性、降低了封装成本。而且，由于转移的新基板具有高热导率的特性，垂直芯片的散热能力大大优于传统正装结构芯片。
2 功率型L E D芯片散热物理模型
1)芯片结构与基本参数。与传统的白炽灯相比，L E D器件的温度一般低于200℃，其热辐射非常弱。同时由于封装结构和材料的因素，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此，L ED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以热对流的方式耗散掉。表1给出了几种不同材料的热导率。由表1可以看出，目前在功率型L E D的制备中，技术最为成熟、用得最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46 W／(m·K)，不足Si材料的1／4。为了提高功率型L E D器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。图1分别给出了目前常用的正装与倒装焊功率型L E D芯片结构的示意图。
倒装焊结构的特点在于以热导率较高的Si(或陶瓷)材料作为器件热传导的介质，通过倒装焊技术将L E D芯片键合在Si衬底上。与正装结构的LE D相比，倒装焊芯片结构使器件产生的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si衬底，再经Si衬底和粘结材料传导至金属底座。由于Si材料的热导率较高，可有效降低器件的热阻，提高其散热能力。
2)功率型L E D芯片散热模型。图2分别给出了正装与倒装焊结构L E D芯片的热阻构成示意图。
1)影响LED芯片热阻计算的因素。测试结果与其理论计算值基本符合，但存在一定的偏差。偏差的来源主要有以下几个方面：(1)温度测试本身带来的误差：由于测量探头体积很小，在温度测试过程中容易引起温度值的起伏，由于采取多次测试统计平均取值，各点的测量相对误差应在l℃左右。(2)焊接面和焊接质量对倒装焊LED芯片热阻的影响：个别焊点处焊接不良，使得凸焊点的接触面过小甚至不接触必然导致该焊点处热阻增大，在实验中确实发现个别凸焊点处的温度有不正常的升高现象。
2)制约倒装焊结构热阻的主要因素。实验中发现，不管是理论估算还是实测，目前多数商业化的倒装焊结构LED产品在散热方面的优势并不明显，甚至热阻还大于正装的芯片。主要因素如下：(1)芯片与si衬底之间焊接层的影响。由于目
前所用焊接材料——铅锡焊料的热导率只有约50W/(m·K)，并不比蓝宝石高很多，同时焊接层的整体面积小于蓝宝石层。此外，如果由于焊接质量不高，使得金属化层和Si衬底之间存在虚焊，这些都增大了倒装焊L E D器件的热阻。(2)Si衬底与金属底座之间粘结层的影响。目前普遍使用的导电银胶其热导率很低，且
本文结合正装和倒装焊功率型LED芯片在热平衡状态下的温度分布测试，研究了GaN基功率型LED芯片的散热性能。理论分析表明，倒装焊结构在降低L E D芯片热阻，提高器件散热能力方面具有潜在的优势，但这一优势能否充分体现出来则取决于芯片结构中各层材料的选取及工艺参数的优化。
参考文献：
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［2］吴霞．半导体照明的基础--白光LED［J］．中国照明电器，2017(3):25-29．
论文作者:姜春霞,尹斌
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/27
标签：芯片论文; 倒装论文; 衬底论文; 结构论文; 功率论文; 电极论文; 材料论文; 《当代电力文化》2019年第7期论文;